DE102022202854A1 - Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil aus Kunststoff und einem zweiten Bauteil aus Kunststoff und dadurch hergestellte Bauteilverbindung - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil aus Kunststoff und einem zweiten Bauteil aus Kunststoff und dadurch hergestellte Bauteilverbindung Download PDF

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Ondrej Vohlídal
Jan Soltys
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil (31) aus Kunststoff und einem zweiten Bauteil (32) aus Kunststoff , wobei mindestens eines der beiden Bauteil in Kunststoffspritzguss hergestellt wird, und wobei mindestes ein Befestigungsbereich (20) an dem mindestens einem Bauteil (31, 32) vorgesehen ist, der mit einer Oberflächenstruktur aus Rippen (21) geringen Abstands gespritzt wird, und wobei die Bauteile (31, 32) im Befestigungsbereich (20) miteinander in einem Ultraschall-Schweißverfahren verbunden werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil aus Kunststoff und einem zweiten Bauteil aus Kunststoff.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bauteilverbindung, die nach dem Verfahren hergestellt sind.
  • Stand der Technik
  • Vermehrt werden Stoßfänger mit Aufnahmen für Ultraschallsensoren für Einparkhilfen und Parkassistenten und Radarsensoren hergestellt.
  • Aus der DE10 2007 034 412 A1 ist eine für ein Kraftfahrzeug bestimmte Vorrichtung zur Überwachung eines Abstands des Fahrzeugs von einem Objekt mittels eines insbesondere als ein Ultraschallsensor ausgeführten Sensors zur Abstandsmessung bekannt, welche einen in einem Karosseriebereich des Kraftfahrzeugs, insbesondere an einem Kunststoffteil, wie beispielsweise ein Stoßfänger, mittels einer Anlagefläche fixierbaren, den Sensor aufnehmenden Halter aufweist. Weiterhin ist ein Ultraschall-Schweißverfahren zur Fixierung der Vorrichtung sowie ein Karosseriebauteil aus Kunststoff und einen an diesem fixierbaren Sensor offenbart.
  • Diese Vorrichtung wird unter der Bezeichnung „Parkpilot“ oder „Park-Distance-Control“ bereits vielfach eingesetzt. Bei diesem bekannten System erfassen im hinteren oder vorderen Stoßfänger eingebaute Abstandssensoren mögliche hinter dem Fahrzeug befindliche Objekte mittels Ultraschallimpulsen nach dem Echolotprinzip. Die Sensorsignale werden in einer Auswerte- und Steuereinrichtung ausgewertet, welche die Entfernung des nächsten erkannten Objekts errechnet. Sobald die Berechnung ergibt, dass ein Hindernis weniger als beispielsweise 1,2 m von dem Fahrzeug entfernt ist, erfolgt ein Warnsignal an den Fahrzeugführer in Form eines intermittierenden Tonsignals. Die Pause zwischen einzelnen Tönen des Warnsignals verkürzt sich mit der Annäherung an das Hindernis, bis das Warnsignal bei einer Entfernung von 30 cm in einen Dauerton übergeht. Gleichzeitig kann die Entfernung optisch auf einer mehrfarbigen Anzeige angezeigt werden, die im Fond des Fahrzeugs angebracht ist.
  • Da die Halter als Varianten des großflächigen Bauteils, also der Stoßfänger verbaut werden müssen, werden sie nicht gleich mitgespritzt, sondern nach Anforderung mit dem großflächigen Basisbauteil verschweißt.
  • Weiterhin ist es auch bekannt, die Halter mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens an der Karosserie zu befestigen. Hierzu sind die korrespondierenden Flächen der Anlagefläche sowie des Karosseriebereichs glattflächig ausgeführt, um so die Kontaktfläche so groß wie möglich zu gestalten. Als nachteilig erweist sich jedoch dabei, dass es durch den Energieeintrag beim Aufschmelzen der Kontaktfläche auf der sichtbaren Seite des Karosseriebereichs zu einer Beeinträchtigung des optischen Erscheinungsbildes kommen kann.
  • Aus der EP 3 848 185 A1 ist ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen zweier Kunststoffkomponenten unter Verwendung einer Sonotrode bekannt, wobei die Energie zum Verschweißen über mindestens zwei Pins der Sonotrode in die Kunststoffkomponenten eingebracht wird, wobei die beiden Kunststoffkomponenten Schritt für Schritt miteinander verschweißt werden, wobei der jeweils nachfolgende Schritt der Verschweißung in einem Bereich erfolgt, der bereits durch den vorhergehenden Schritt der Verschweißung beansprucht und entspannt ist.
  • Die Schalleinkopplung erfolgt durch die mindestens zwei hervorstehenden Erhebungen bzw. Pins. Hierdurch wird eine ortsgenaue Schalleinkopplung gewährleistet, die weitgehend unabhängig von ggf. vorhandenen Bauteiltoleranzen oder Positionierungenauigkeiten ist. Somit lassen sich unerwünschte Schweißschlüsse in Randbereichen der Sonotrode und/oder des Bauteils bzw. Werkstücks vermeiden. Während des Schweißprozesses wird die Sonotrode so auf das Werkstück aufgesetzt, dass eine Mittellängsachse der Sonotrode senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks verläuft. Die Schwingungseinkopplung erfolgt somit senkrecht in das Werkstück, d. h. die zu verschweißenden Bauteile, in Richtung der Mittellängsachse der Sonotrode.
  • US 2005 104 389 A1 zeigt einen Zusammenbau eines Verkleidungsteils aus thermoplastischem Material für ein Kraftfahrzeug mit einem anderen Teil, das einen dünnen Abschnitt aus thermoplastischem Material aufweist, wobei der dünne Abschnitt Öffnungen aufweist und das Schmelzen des Verkleidungsteils zusammen mit dem dünnen Abschnitt ausschließlich an den Umrissen der Durchgangsöffnungen lokalisiert ist.
  • Aus der DE 10 2012 221 605 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile bzw. einem Bauteilverbund bekannt, wobei als zweites Bauteil ein bereits vorgefertigtes, d.h. festes Bauteil aus Kunststoff verwendet wird, das im Verbindungsbereich mit dem ersten Bauteil durch Anschmelzen bzw. Verflüssigen des Kunststoffmaterials auf der dem ersten Bauteil zugewandten Seite mit dem ersten Bauteil verbunden wird. Durch das Anschmelzen bzw. Verflüssigen des Kunststoffmaterials des zweiten Bauteils findet eine innige Verbindung bzw. Verzahnung des Kunststoffs des zweiten Bauteils mit der Oberflächenstruktur des ersten Bauteils statt, so dass eine sichere und feste Verbindung der beiden Bauteile nach dem (Wieder-)Erstarren des Kunststoffs ausgebildet wird. Eine der Bauteiloberflächen ist dabei strukturiert.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein optimiertes Herstellverfahren vorzuschlagen, das zu einer Verbindung hoher Festigkeit führt.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil aus Kunststoff und einem zweiten Bauteil aus Kunststoff, wobei mindestens eines der beiden Bauteil in Kunststoffspritzguss hergestellt wird, und wobei mindestes ein Befestigungsbereich an dem mindestens einem Bauteil vorgesehen ist, der mit einer Oberflächenstruktur aus Rippen geringen Abstands gespritzt wird, und wobei die Bauteile im Befestigungsbereich miteinander in einem Ultraschall-Schweißverfahren verbunden werden.
  • Durch die Oberflächenstruktur verbessert sich die Festigkeit nach dem Schweißen sehr.
  • Die Rippen werden im Befestigungsbereich des mindestens eines Bauteils mindestens teilweise parallel zueinander hergestellt.
  • Die Rippen werden im Befestigungsbereich des mindestens eines Bauteils in einem Abstand Rippenspitze zu Rippenspitze von 0,1 bis 2 mm hergestellt.
  • Die Rippen im Befestigungsbereich des mindestens eines Bauteils werden in einer Tiefe zwischen Rippenspitze und Rippengrund von 0,1 bis 2mm hergestellt.
  • Die Rippen bilden Quadrate, Rechtecke, Sechsecke aus, die mit einer Erstreckung von 0,2 bis 3 mm und eine Tiefe von 0,1 bis 1,5mm hergestellt werden.
  • Es ist von Vorteil, dass die Energie zum Verschweißen über mindestens einen Pin einer Sonotrode in die Kunststoffkomponenten eingebracht wird, wobei die beiden Bauteile Schritt für Schritt punktuell miteinander verschweißt werden.
  • Dabei ist der jeweils nachfolgende Schritt der Verschweißung in einem Bereich erfolgt, der bereits durch den vorhergehenden Schritt der Verschweißung beansprucht und wiederentspannt ist.
  • Die Bauteile sind Stoßfänger und Halter für Sensoren, Verstärkungsteile und andere Teile mit dünnerer Wandstärke.
  • Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Stoßfängers vorne,
    • 2 zeigt eine Sonotrode im Stand der Technik,
    • 3 zeigt einen beispielhaften Schweißpfad,
    • 4. Zeigt eine Oberflächenstruktur,
    • 5a, 5b und 5c zeigen je eine Aufsicht auf Oberflächen eines Bauteils.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem beispielhaften Stoßfänger 1, wie er in der Front eines Fahrzeugs verwendet wird. der Stoßfänger 1 stellt dabei ein erstes Bauteil 31 aus Kunststoff dar. Es kann sich aber auch um einen Schweller, eine Heckklappe, eine Radkastenverkleidung oder ein anderes Kunststoffteil im Außenbereich des Fahrzeugs handeln.
  • Auf der zu dem Fahrzeug gewandten Seite 1b des Stoßfängers 1 werden beispielsweise Halter 2 für unterschiedliche Sensoren befestigt. Es können aber auch Verstärkungsteile, Spoiler etc als zweites Bauteil 32 mit dem ersten Bauteil 31 verbunden werden. Der beispielhaft dargestellte Halter 2 weist dabei eine ringförmige Anlagefläche 3 sowie eine zylinderförmige Aufnahme 4 auf. In die Aufnahme 4 wird ein Sensor gesteckt und über die an der Aufnahme 4 angebrachten Laschen 5 über eine Klips-Verbindung oder auch einen Bajonettverbindung verriegelt. Die nach außen weisende Oberfläche 1a des Stoßfängers 1 darf keinen sichtbaren Spuren des Halters oder der Halter 2 zeigen und muss ein perfektes Lackierbild abgeben.
  • Die Anlagefläche 3 des Halters 2 kann dabei natürlich auch quadratisch oder rechteckig sowie asymmetrisch ausgeführt sein, um eine genaue Lagebestimmung des Halters 2 am Stoßfänger 1 zu gewährleisten. Ein möglicher Schweißpfad 10 ist als kreisförmiger Pfad angedeutet.
  • Auf der inneren Seite 1 b des Stoßfängers 1 ist ein Befestigungsbereich 20 für den Halter 2 ausgewiesen, der in diesem Beispiel rechteckig gewählt ist.
  • Einen Querschnitt durch den Befestigungsbereich 20 des Stoßfängers 1 zeigt die 4. Die Oberfläche des Stoßfängers 1 ist mit einer Rillenstruktur ausgebildet, wie sie auch in 5a in der Aufsicht gezeigt ist. Die Rillen 21 sind mit ihrer Tiefe nur an der Oberfläche des Stoßfängers 1 angebracht, der eine wesentlich größerer Dicke von bis zu 15 mm aufweist.
  • Die Rillen haben einen Abstand unter einem Millimeter, im Ausführungsbeispiel sind es 0,7 mm Abstand von Rillenspitze 21a zur nächsten Rillenspitze 21a. Die Tiefe der Rillen von Rillenspitze 21a bis zum Rillengrund 21 b beträgt beispielhaft 0,6 mm. Der Bereich für den Abstand der Rillenspitzen wird zwischen 0,1 und 2 mm angesetzt. Die Rillentiefe mit 0,1-2 mm. In diesem Bereich erfährt die angestrebte Verbindung eine optimale Stärke.
  • Die Rillen 21 ist wie in 5a gezeigt sind in einer Ausführungsform linear und parallel zueinander angeordnet. In der 5b ist eine Anordnung in einem Schachbrettmuster gezeigt, in dem die Rillenspitzen 21a Quadrate oder Rechtecke oder auch eine hexagonale Struktur ausbilden. Dabei bleibt aber der geringe Abstand zwischen den Rillenspitzen 21a und die Tiefe zum Rillengrund 21b erhalten.
  • Eine beispielhafte Ausführung verwendet 1x1 mm große Quadrate mit 0,2 mm Tiefe und einem Abstand der Rillenspitzen zueinander von 1,5 mm. Der optimale Bereich liegt bei einer Auslegung von 0,2 bis 3 mm Abständen und einer Tiefe von 0,2 bis 3 mm.
  • In der 5c ist eine Oberflächenstruktur dargestellt, die kleine Pyramiden auf der Basis eines Quadrats oder Rechtecks ausbildet. Auch eine Kegelstruktur auf der Basis von Kreisen und Ellipsen ist möglich. Die Höhe der Pyramiden oder Kegel ist dabei zwischen 0,1 und 2 mm, die Abstände betragen 0,1 bis 2 mm.
  • Die Kegel können auch als Kegelstümpfe ausgebildet sein.
  • Bei der Herstellung der Verbindung zwischen Stoßfänger 1 und Halter 2, also einem ersten Bauteil 31 aus Kunststoff und einem zweiten Bauteil 31 aus Kunststoff, werden die ersten und die zweiten Bauteile in Kunststoffspritzguss hergestellt. Das erste Bauteil 31 oder das zweite Bauteil 32 oder beide Bauteile weisen einen oder mehrere Befestigungsbereiche 20 auf. Diese werden im Kunststoffspritzguss mit der Gesamtform der Bauteile hergestellt.
  • Als Material dienen dabei beispielsweise PP, PP mit Talkum, PP mit Glasfaser, ABS, PC mit ABS uns ASA.
  • Im nächsten Schritt werden die Bauteile 31, 32 miteinander formschlüssig verbunden, wobei die Befestigungsbereiche 20 als Anbindungsflächen dienen.
  • Als Schweißverfahren kommen Ultraschallschweiß-Verfahren zur Anwendung. Beispielsweise wird das aus der DE 10 2020 200 184 A1 bekannte Schweißverfahren eingesetzt.
  • Das Verfahren verwendet Ultraschallschweißen unter Verwendung einer Sonotrode 6, wie sie beispielhaft in 2 dargestellt ist. Die Sonotrode 6 weist dabei in diesem Ausführungsbeispiel zwei Pins 7 auf.
  • Über eine solche Sonotrode 6 wird der Halter 2 mit dem Stoßfänger 1 punktuell an den beiden Pins 7 verschweißt.
  • Der Vorgang des Verschweißens erfolgt dabei Schritt für Schritt über eine Bewegung der Sonotrode 6 entlang der Anlagefläche 3 des Halters 2, der am Befestigungsbereich 20 aufliegt. Im Beispiel der 1 bewegt sich die Sonotrode entlang einer Kreislinie im Bereich der ringförmigen Anlagefläche 3.
  • In der 3 wird ein linearere Schweißpfad dargestellt. Die Schweißpunkte 11 werden durch die Verwendung der Sonotrode mit zwei Pins paarweise gesetzt. Nach dem Schweißschritt S1 erfolgt der Schweißschritt S2 usw. Für den Schweißschritt S1 ist ein Bereich der Energiebeeinflussung 9 gekennzeichnet ebenso in Schweißschritt S4.
  • Dabei erfolgt nach dem ersten Schritt des Verschweißens, z. B S1, der nächste Schritt S2 in einem Bereich 9 des Kunststoffelements, der bereits durch den ersten Schweißschritt S1 einer spezifischen Belastung ausgesetzt war und sich wieder im Zustand der Entspannung befindet. Durch die Oberflächenstrukturierung mit Rillen 21 wird die Oberfläche des ersten und/oder zweiten Bauteils 31,32 vergrößerts, so dass das Aufschmelzen der Struktur besser und effizienter erfolgt.
  • Das heißt, dass für den zweiten Schweißschritt S2 weniger Energie, Stress und Wärmebeeinflussung aufbracht werden muss, als für S1, da das Material noch nicht wieder vollständig abgekühlt und ausgehärtet ist. Durch die schrittweise Verschweißung wird integral weniger Energie in die zu verschweißenden Komponenten eingebracht, aber die Schweißverbindung ist sehr fest. Die Festigkeit der Verbindung erhöht sich gegenüber einer Verbindung zwischen Bauteilen ohne Oberflächenstruktur um 9 bis 13%.
  • Dabei muss zwischen den einzelnen Schweißschritten S1, S2... ein gewisser zeitlicher Abstand vorliegen, um dem Material Gelegenheit zu geben, zu entspannen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stoßfänger
    1a
    innere Seite Stoßfänger
    1b
    äußere Seite Stoßfänger
    2
    Halter
    3
    Auflagefläche
    4
    Aufnahme
    5
    Laschen
    6
    Sonotrode
    7
    Pins
    9
    Bereich
    10
    Schweißpfad
    11
    Schweißpunkt
    20
    Befestigungsbereich
    21
    Rille
    21a
    Rillenspitze
    21b
    Rillengrund
    31
    erstes Bauteil
    32
    zweites Bauteil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007034412 A1 [0004]
    • EP 3848185 A1 [0008]
    • US 2005104389 A1 [0010]
    • DE 102012221605 A1 [0011]
    • DE 102020200184 A1 [0036]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil (31) aus Kunststoff und einem zweiten Bauteil (32) aus Kunststoff, wobei mindestens eines der beiden Bauteile in Kunststoffspritzguss hergestellt wird, und wobei mindestes ein Befestigungsbereich (20) an dem mindestens einem Bauteil (31, 32) vorgesehen ist, der mit einer Oberflächenstruktur aus Rippen (21) geringen Abstands gespritzt wird, und wobei die Bauteile (31, 32) im Befestigungsbereich (20) miteinander in einem Ultraschall-Schweißverfahren verbunden werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rippen (21) im Befestigungsbereich (20) des mindestens einen Bauteils (31, 32) mindestens teilweise parallel zueinander hergestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rippen (21) im Befestigungsbereich (20) des mindestens einen Bauteils (31, 32) in einem Abstand Rippenspitze (21a) zu Rippenspitze (21a) von 0,1 bis 2 mm hergestellt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rippen (21) im Befestigungsbereich (20) des mindestens einen Bauteils (31, 32) in einer Tiefe zwischen Rippenspitze (21a) und Rippengrund (21b) von 0,1 bis 2mm hergestellt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rippen (21) Quadrate, Rechtecke, Sechsecke ausbilden, die mit einer Erstreckung von 0,2 bis 3 mm und eine Tiefe von 0,1 bis 1,5mm hergestellt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Befestigungsbereich mit Pyramiden oder Kegeln strukturiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energie zum Verschweißen über mindestens einen Pin (7) einer Sonotrode (6) in die Kunststoffkomponenten eingebracht wird, wobei die beiden Bauteile (31, 32) Schritt für Schritt punktuell miteinander verschweißt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils nachfolgende Schritt der Verschweißung in einem Bereich (9) erfolgt, der bereits durch den vorhergehenden Schritt der Verschweißung beansprucht und wiederentspannt ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (31, 32) Stoßfänger (1) und Halter (2) für Sensoren, Verstärkungsteile und andere Teile mit dünnerer Wandstärke sind.
  10. Bauteilverbindung von Bauteilen (31, 32) verbunden nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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